Pre stavbu kvantových počítačov je perspektívne využitie elektroniky aj fotoniky – technológie, ktorá pracuje so svetlom – na jednom a tom istom čipe. Vďaka kremíkovej technológii, ktorú dobre poznáme z dnešných elektronických zariadení, by mohli byť kvantové zariadenia lepšie chránené pred vplyvmi z vonkajšieho sveta. Ďalšou výhodou je, že sa dajú škálovať na väčšie systémy. Žiaľ, svetlo a kremík nie sú najlepší priatelia. To znamená, že pokiaľ k nemu nepridáte germánium, v úplne novej hexagonálnej kryštálovej štruktúre. V takom prípade je možné skutočne kombinovať elektronické a fotonické kvantové bity. Nový európsky výskumný projekt ONCHIPS, ktorý vedie Univerzita v Twente (MESA+/QUANT) v Holandsku, bude pracovať na tejto „najlepšej technológii z oboch svetov“.
Predpovedať najlepšiu výrobnú technológiu pre kvantové počítače nie je jednoduché: všetky prístupy majú svoje pre a proti. Niektoré z kvantových bitov, qubitov, sú dosť veľké, potrebujú extrémne chladenie a sú veľmi citlivé na svoje okolie: existuje len krátky čas, počas ktorého môžete ťažiť z ich špecifických kvantových vlastností. Iné sú robustnejšie a menej citlivé na rušenie, ale nedajú sa ľahko rozšíriť na stovky alebo dokonca tisíce qubitov. Čo by ste v skutočnosti chceli urobiť, je ťažiť z priemyselného rozsahu a vysoko štandardizovaných procesov používaných pre „bežné“ polovodičové čipy (CMOS). V kombinácii kremíka a germánia, ktorá bola nedávno vynájdená, sa mnohé z výhod potenciálne môžu spojiť na jednom čipe. Tento materiál, ktorý má špecifickú šesťuholníkovú kryštálovú štruktúru, bol podľa Physics World označený za prielom roku 2020. Vynálezcovia materiálu z Technickej univerzity v Eindhovene (TU/e) v Holandsku sú členom nového konzorcia ONCHIPS.
Energetické úrovne
Šesťhranná štruktúra kremíka-germánia má veľkú výhodu: umožňuje kremíku vysielať a absorbovať svetlo. Týmto spôsobom môžu byť fotóny spojené s elektrónmi, ktoré za svoje kvantové kvality vďačia svojmu „točeniu“: smeru, v ktorom sa otáčajú okolo svojej vlastnej osi. To otvára úplne nové možnosti, napríklad v kombinácii vynikajúcich kvantových transportných vlastností fotónov a lokálnej kvantovej výpočtovej sily elektrónov. A to všetko na rovnakom elektronickom čipe CMOS. Jedným z problémov, ktoré je ešte potrebné vyriešiť, je to, že vytvorenie šesťuholníkovej štruktúry musí byť vykonané jednoduchším spôsobom, než je možné práve teraz. To, čo kremík sám o sebe nedokáže, a kombinácia kremíka a germánia áno, je spojené s „priamym zakázaným pásmom“, ktoré vzniká týmto spôsobom. Elektrón môže priamo prekročiť bariéru medzi dvoma energetickými úrovňami a vyslať tak fotón. Kremík sám o sebe nemá toto priame „kríženie“: energetické hladiny nie sú priamo nad sebou, takže kremík sám o sebe nie je dobrým zdrojom svetla.
Nové materiály, nové stavebné bloky
Prístup „to najlepšie z oboch svetov“ môže viesť k vzrušujúcim novým perspektívam v kvantovej výpočtovej technike, hoci je to stále náročná úloha, hovorí vedúci projektu profesor Floris Zwanenburg. Ako uviedol: „Žiadny z našich nápadov nebol nikdy realizovaný týmto spôsobom. Ambíciou je lepšie pochopiť najlepšie podmienky pre rast kryštálov. Ďalej musíme vytvoriť prvé spinové qubity a tvarové rozhrania týchto spinových qubitov a fotónov. Kľúčom je dôkladné pochopenie štruktúry kryštálov kremíka germánia.“ A to všetko s ohľadom na budúcu integráciu elektroniky a fotoniky na jednej a tej istej kremíkovej platforme. Zwanenburg vedie konzorcium ONCHIPS ako člen Centra pre kvantovú nanotechnológiu Twente (QUANT), ktoré je súčasťou MESA+ inštitútu Univerzity v Twente.
Zdroj: https://sciencebusiness.net, https://www.utwente.nl; zverejnené: 26. 9. 2022, autor: rpa
